生态环境部华南环境科学研究所:不同类型农用地土壤微塑料的丰度及其对微生物群落的影响

文摘   2024-11-26 07:50   广东  

来源:生态与地理速报(2024年11月24日)

近日,生态环境部华南环境科学研究所(生态环境部生态环境应急研究所)土壤与农村生态环境研究中心在环境领域知名期刊Journal of Hazardous Materials(中科院一区)发表论文“Microplastics abundance associated with farmland use types and the impact on soil microbial communities: A case study in Southern China”。华南所(应急所)叶权运为第一作者,吴文成、刘谞承为共同通讯作者。论文DOI:https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136477。

成果简介

微塑料(MPs)在农用地土壤的污染受到广泛关注。然而,不同农用地利用类型对MPs空间分布的影响,以及MPs丰度与微生物群落结构和生态功能的相关性仍不清晰。本研究系统调查了我国华南地区三种典型农用地(果园、菜地和水田)土壤MPs的空间分布和丰度特征,以及它们与土壤微生物群落结构和功能的关系。研究结果显示,MPs的丰度范围为528个/kg到39864个/kg土壤,平均丰度为10562个/kg。共识别出32种聚合物类型的MPs,其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),聚氯乙烯(PVC)和氟橡胶(FKM)丰度较高。MPs的丰度在果园最高(8896个/kg),其次是水田(4176个/kg),最后是菜地(2967个/kg)。16S rRNA分析结果显示MPs的存在影响了土壤细菌分布模式,与土壤微生物群落相比,塑料圈微生物的空间分布和差异性变化更小,外源性生物降解和代谢相关的预测功能变得更加丰富,从而间接影响了土壤的生态功能。相关研究成果为农用地土壤MPs的调查研究和生态风险评估提供了重要的参考数据。

本研究得到国家重点研发计划项目(2023YFC3709700)、国家自然科学基金项目(42407560)和广州市科技计划项目(2024A04J5024)的资助。

图1 论文图形摘要

引言

在农业生产中,不同的农用地利用类型会影响种植模式和作物种类,从而导致土壤MPs的分布和来源更加多样化。迄今为止,不同类型农用地MPs的丰度和分布特征研究仍然不足,在此基础上MPs不同种类和丰度特征对土壤微生物群落组成的影响研究更加匮乏,这对农用地土壤MPs的环境管理和生态风险评估带来了挑战。本研究结果有望为后续农用地土壤MPs的研究提供数据支撑,从而引起对土壤MPs环境和生态安全的关注。

图文导读


01

不同类型农用地MPs的丰度结果

图2显示了果园、菜地和水田所有土壤样本中MPs丰度的箱线图。土壤MPs的丰度范围从528到39864个/kg,平均丰度为10562个/kg(干重)。不同农用地利用类型下土壤MPs的分布范围存在差异。其中,果园的MPs平均丰度最高(8896个/kg),其次是水田(4176个/kg),而菜地的MPs平均丰度最低(2967个/kg)。果园与菜地(p=0.001)、果园与水田(p=0.003)之间的MPs丰度存在显著差异;菜地与水田之间的MPs丰度无显著性差异(p=0.372)。

图2 不同农田利用类型土壤中MPs的丰度结果

02

不同类型农用地土壤中MPs的组成分析


图3结果显示PET(28.8%)、PVC(13.5%)和FKM(9.5%)是农用地土壤中最丰富的三种MPs,其次是ACR(8.4%)、PU(6.6%)和EVA(6.1%)。MPs聚合物类型的分布根据农用地利用类型的不同而有所变化。对于果园来说,PET的检出比例最高,占总量的39.6%。对于菜地,PVC的检出比例最高,占总量的21.0%。对于水田,PET、PVC、FKM的检出比例最高,且比例相近。

图3 MPs聚合物类型分析结果. (a)所有土壤样品; ( b)不同农用地使用类型的土壤样品

03

MPs对土壤微生物群落结构的影响


进一步选择土壤样本中六种含量最高的MPs(PET、PVC、FKM、ACR、PU和EVA),通过线性回归和Mantel测试评估土壤MPs对细菌群落结构的影响(图4)。在20个最丰富的菌属中,有13个菌属与MPs显示出显著的正相关(p<0.05),表明这些微生物可能将MPs作为营养来源,促进微生物的生长和繁殖。有6个菌属与MPs显示出显著的负相关(p<0.05),表明MPs的存在可能抑制了这些微生物的生长和繁殖。相关结果证明土壤不同类型的MPs与土壤微生物有紧密关系。

图4 基于Mantel检验确定主要MPs与细菌群落之间的关系

使用PICRUSt2将16S rRNA基因序列在KEGG数据库中进行预测,分析MPs对土壤环境中细菌群落微生物功能多样性的影响。图5结果显示与土壤微生物相比,MPs样本中预测的微生物部分代谢通路丰度值减少(如聚酮类、维生素、碳水化合物和氨基酸),而预测的外源生物降解和代谢的通路丰度值增加,表明MPs的存在可能增加了能够利用塑料聚合物或塑料添加剂的细菌数量。总的来说,土壤和MPs之间的微生物群落功能明显不同,土壤中MPs的存在会影响微生物群落的结构和功能,从而影响土壤的生态功能。

图5 基于KEGG数据库分析土壤和MPs微生物群的预测功能




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